EP0958502B1 - Magnetischer messfühler - Google Patents

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EP0958502B1
EP0958502B1 EP98910585A EP98910585A EP0958502B1 EP 0958502 B1 EP0958502 B1 EP 0958502B1 EP 98910585 A EP98910585 A EP 98910585A EP 98910585 A EP98910585 A EP 98910585A EP 0958502 B1 EP0958502 B1 EP 0958502B1
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EP
European Patent Office
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magnetic
hydrogen
magnetic field
sensor
intermediate layers
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98910585A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0958502A2 (de
Inventor
Frank Klose
Hansjörg MALETTA
Dieter Nagengast
Christine Rehm
Alois Weidinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Original Assignee
Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
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Publication date
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Publication of EP0958502B1 publication Critical patent/EP0958502B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Materials of the active region

Definitions

  • the invention relates to a magnetic sensor with hydrogen loading defines changeable internal - the difference of electrical Characterizing resistance with applied and switched off magnetic field - Magnetic resistance, consisting of a multi-layer package each alternating ferromagnetic layers and hydrogen affine non-magnetic intermediate layers on a substrate, the layers and the intermediate layers magnetically by the exchange of spin polarized Electrons are coupled, and a top layer of Pd for hydrogen activation.
  • the coupling strength between the ferromagnetic layers can, for example a damped oscillation as a function of the interlayer thickness between the ferromagnetic and the antiferromagnetic state To run.
  • the choice of the interlayer thickness means that Magnetic resistance of a single multi-layer package defined. A change, for example in the sense of optimization for the respective The magnetic sensor is used after its manufacture not possible anymore.
  • the layer thicknesses used for intermediate layers made of Nb are below 1.3 nm and above 2.3 nm. All layer thicknesses per layer package are constant.
  • the internal magnetic resistance in direct connection with the possible hydrogen loading, can only be determined during the production of the intermediate layers by the choice of their layer thicknesses and can therefore only be changed in a defined manner from layer package to layer package. After the layer package has been produced, it is not possible to change the internal magnetic resistance in the sense of fine tuning. There is no confirmation of the theory about the possibility of a continuous and reversible influence on the magnetic resistance for its continuous and reversible change by means of a corresponding hydrogen loading.
  • Antiferromagnetically ordered layers have a magnetic resistance that is particularly suitable for measuring magnetic fields.
  • article III Phys. BI. 51 (1995) No. 11, 1077-1081, P.Grünberg, "Giant magnetoresistance in magnetic layer structures" describes the use of magnetic layer structures for magnetic sensors with a variation in the intermediate layer thickness.
  • the magnetic measuring sensors known from attachment III in which the multi-layer package is constructed in the manner already described from a plurality of ferromagnetic layers which are magnetically coupled to one another via magnetic non-magnetic intermediate layers for the basic setting of the magnetic resistance, serve exclusively to determine changes in the magnetic resistance. This makes them suitable for use as field sensors. They can serve as magnetic heads for reading out the information on magnetic information carriers, others for detecting position or speed if the objects to be measured can generate a magnetic field. Precise reading can only be achieved by optimizing the change in resistance in the magnetic field. In the case of such known magnetic measuring sensors, this optimization setting takes place via the choice of the layer thicknesses of the non-magnetic intermediate layers.
  • this measure limits the use of the magnetic measuring sensors exclusively to applications for field sensors for determining the magnetic field strength as the only physical measurement variable, since the magnetic resistance of such magnetic measuring sensors can only be influenced by external external magnetic fields.
  • the technical problem on which the invention is based consists in designing a magnetic measuring sensor of the type described in the introduction in such a way that after its manufacture, its internal magnetic resistance can be changed for application-specific optimization. Furthermore, the basic structure of the multi-layer packages should differ as little as possible for different purposes.
  • the solution according to the invention for this can be found in claim 1. It has surprisingly been found that the changes in the internal magnetic resistance due to hydrogen loading are much more effective for the specified layer thickness than for other layer thicknesses.
  • the magnetic resistance can thus at any time after completion of the shift package continuous and reversible within wide limits (up to three times the Initial value) on the concentration of hydrogen in the intermediate layers to be changed. This is e.g. for the application area of Magnetic field sensors with different sensitivities and / or basic settings of crucial importance. Changes, in particular Magnetic sensitivity deterioration due to aging Layers can be compensated for by renewed hydrogen loading become. There are also overcorrections due to the reversibility of the hydrogen loading by treating the layer package with reduced Hydrogen partial pressure can be compensated.
  • the optimization takes place via the possibility of continuous and reversible influencing of the intermediate layers by the Hydrogen loading or unloading.
  • the intermediate layers consist of a highly hydrogen-affine material. This can be Nb or an alloy of Cr with one of the strongly hydrogen-affine elements V, Nb or Ta act. Alloys of this type have a Cr component compared to Nb via a fundamentally larger magnetic resistance, which further improves the sensitivity of the magnetic sensor can be.
  • an activator catalyst
  • the top layer also protects the layer package against oxidation.
  • the layer thickness of the intermediate layers is the layer thickness of the intermediate layers.
  • Nb with a layer thickness between 1.3 nm and 1.6 nm can be an effective one Change in the magnetic coupling between the ferromagnetic and the antiferromagnetic state due to the hydrogen loading be effected.
  • the layer thickness in a larger range between 0.8 nm and 2.3 nm are the electronic properties related to the antiferromagnetic Coupling comparable between Nb intermediate layers and chrome alloyed Interlayers.
  • the subsequent fine tuning plays a very precise Adherence to the layer thickness is not essential.
  • the manufacturing tolerances are therefore relatively large in the range (for example in 0.3 nm steps), so that the manufacture of the individual layers is simplified and the Reject rate can be reduced.
  • the effect of tolerances of ferromagnetic Layers on the magnetic resistance can be subsequently adjusted by fine tuning just be balanced.
  • An advantageous embodiment of the layer structure of the invention magnetic sensor is that between a substrate made of Si or GaAs and a multi-layer package with ferromagnetic layers Fe, Co, Ni, or their alloys, a Cr buffer layer is provided.
  • This Cr buffer layer acts as a diffusion barrier and thus prevents one Mixing of substrate material with material from the multi-layer package. This will influence the magnetic properties of the Multi-layer packages excluded by substrate material.
  • the buffer layer can have a thickness in the range of 5 nm.
  • the magnetic measuring sensor according to the invention can both by external magnetic fields as well as by hydrogen supply in his Magnet resistance can be changed. With his help, therefore, two physically completely different measurands (magnetic field strength and Hydrogen concentration) can be determined. These measurands can by a 4-pole resistance measuring arrangement assigned to the measuring sensor is determined become. All of these metrics are determined by determining them influenced electrical resistance of the sensor. in this connection becomes an output voltage depending on a constant one Measuring electronics specifiable current in this 4-pole resistance measuring arrangement measured. For this arrangement, the constant current is compared to two lying corner points of the multi-layer package and the variable voltage tapped at the other two corner points. The Measurement signal is for an exact calculation, for example in a Measurement processing computer system, the variable electrical Resistance sufficiently large and accurate.
  • the hydrogen loading of the intermediate layers can take place reversibly, i.e. stored hydrogen can also come from the intermediate layers outgas.
  • the magnetic sensor according to the invention is located in an open atmosphere, it can therefore be preferred as magnetic Sensor for hydrogen gas can be used. His washing around with one Hydrogen gas flow causes an increase in the amount of hydrogen stored and thus a change in the magnetic resistance or the electrical Resistance of the magnetic sensor. This displayed So change is the measure of the hydrogen concentration in the Environment of the magnetic sensor. Such measurements can dynamic with constantly changing concentrations or static in one constant hydrogen environment. If the measurements are long-term apart, the magnetic sensor automatically takes a zero position in normal ambient air by balancing the hydrogen partial pressures in the intermediate layers and in the ambient air. Such Possible application extends the range of uses of the invention magnetic sensor in a completely new direction and is among the known magnetic sensors are not given.
  • the magnetic resistance is defined as the difference in electrical resistance of the magnetic sensor between the states with and without Exposure to an external magnetic field. It is therefore independent of temperature and is very sensitive to fluctuations in the hydrogen concentration in its environment. If there is no external magnetic field, they press Fluctuations in a pure change in resistance of the sensor is readily ascertainable. However, if you want to change the Assign the hydrogen concentration to the respective change in magnet resistance, it is particularly beneficial if changes in its magnetic resistance imprinting an external, tunable magnetic field can be determined. When passing through the external magnetic field then the corresponding change in electrical resistance is shown and the associated currently determined hydrogen concentration assigned.
  • the magnetic sensor according to the invention is thus used as a magnetic field sensor is used for this purpose, keeping the hydrogen content constant and fixed the prerequisite in the intermediate layers. It is here Particularly advantageous if the magnetic sensor is within a magnetically shielding encapsulation is arranged, which is a hydrogen impermeable Has magnetic field window.
  • the hydrogen content in the Intermediate layers is due to this encapsulation of environmental influences independently, so that the magnetic resistance of the magnetic Sensor is reliably constant in the basic setting.
  • a balance of the Hydrogen partial pressures between the interior of the encapsulation and the environment can due to the hydrogen impermeability of the magnetic field window do not take place.
  • the external magnetic fields to be measured can then on the magnetic sensor only through the magnetic field window act and change the magnetic or electrical Lead resistance of the magnetic sensor. External influences through interference fields are safely avoided.
  • Such encapsulation can for example made of a soft magnetic NiFe alloy (Permalloy) consist.
  • the magnetic sensor in the application for the detection of magnetic Field strengths generally have a flat multilayer package, by separating the respective layer materials from the gas phase was grown on a flat substrate.
  • the sensor can also according to a further embodiment of the invention, formed with a ring and be provided with an air gap with the magnetic field window in the Encapsulation is in alignment.
  • the compact design achieved thereby in which the encapsulation can also enclose the multi-layer package in a ring, and the Bundling the magnetic field in the air gap, it is particularly suitable for use as high-precision reading head for magnetic information processing suitable.
  • substrate is still very difficult at the present time.
  • a multi-layer package typically has a base in the area of 5 mm x 5 mm a package height without substrate of up to 100 nm on what can correspond to an average number of layers of 10 to 20 double layers.
  • a base in the area of 5 mm x 5 mm a package height without substrate of up to 100 nm on what can correspond to an average number of layers of 10 to 20 double layers.
  • For Applications in microelectronics can change the lateral dimensions of the magnetic sensor, however, can also be much smaller than 1 mm without that its mode of action is limited.
  • the magnetic sensor 1 shows a magnetic sensor 1 for the detection of hydrogen concentrations.
  • the magnetic sensor 1 is located in the free environment and has a magnetic multilayer package 2 which is arranged on a Si substrate 3 (thickness 100 nm).
  • the multi-layer package 2 consists of alternating ferromagnetic layers 4 and non-magnetic intermediate layers 5.
  • the ferromagnetic layers 4 are 2.6 nm thick in the selected exemplary embodiment and consist of Fe.
  • the non-magnetic intermediate layers 5 in the example have a layer thickness d of 1.5 nm and consist of the strongly hydrogen-affine transition metal Nb.
  • the multilayer package 2 is provided with a Pd cover layer 6 (thickness 5 nm).
  • a buffer layer 7 made of Cr is provided between the substrate 3 and the multilayer packet 2 to prevent diffusion.
  • the change in magnetoresistance can be determined under the changing effect of an external, tunable magnetic field 18 (indicated by a broad arrow in the figure) as a measure of the quantity to be measured, here the concentration of hydrogen.
  • the magnetic sensor 1 has a 4-pole resistance measuring arrangement 8 . This has two contact points 9 and 10 at the diagonally opposite corners 11 and 12 of the multi-layer package 2 for impressing a constant current I , which is specified by measuring electronics (not shown). A voltage U is tapped as an output signal at two further, diagonally opposite contact points 13 and 14 at the two other corners 15 and 16 of the multilayer package 2 .
  • the electrical resistance in the magnetic field of the multi-layer package 2 which can be changed by the physical variable to be determined, can be calculated from the two variables I and U by an arithmetic unit, also not shown.
  • an arithmetic unit also not shown.
  • an embodiment is also conceivable in which the current I is impressed at the two upper contact points and the voltage U is tapped at the two lower contact points of the multilayer package.
  • the quantity to be measured with the magnetic sensor 1 here is the concentration of a hydrogen gas stream 17 which freely flows around the magnetic sensor 1 .
  • the magnetic coupling between the ferromagnetic Fe layers 4 can be changed continuously and reversibly by embedding and outgassing hydrogen in or from the strongly hydrogen-affine Nb intermediate layers 5 . This can cause a change in the magnetic resistance, which can be assigned to a change in the electrical resistance under the influence of the external tunable magnetic field 18, which is generated, for example, by a suitably arranged and equipped permanent magnet.
  • the measurements can be carried out dynamically with constantly changing hydrogen concentrations or statically in a constant hydrogen atmosphere. If no measured value is requested, the magnetic sensor 1 automatically adjusts to a zero position by compensating for the hydrogen partial pressures in the intermediate layers 5 and the environment.
  • the hydrogen detector is by a not shown Sheathing, for example with a soft magnetic film, from shielded from magnetic fields.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the magnetic sensor 20 according to the invention as a magnetic field sensor.
  • This construction differs in construction from the magnetic sensor 1 according to FIG. 1 in that it is provided with a magnetically shielding encapsulation 21 which has a hydrogen-impermeable magnetic field window 22 and is designed as an annular multilayer package 24 .
  • An air gap 23 is aligned with the magnetic field window .
  • the interior of the encapsulation 21 (shown broken away) is sealed off from hydrogen so that no hydrogen diffusion can occur between the surroundings and the annular multilayer package 24 .
  • the magnetic resistance of the magnetic sensor 20 which is finely tuned to the application by hydrogen loading during manufacture, thus remains constant over a long period of time. If the layers age and the magnetic properties deteriorate, however, the multi-layer package 24 can be separately treated again with hydrogen gas and set to the original magnetoresistance value.
  • the physical measurement variable to be measured with this magnetic sensor 20 is the magnetic field strength of an external external magnetic field 25, for example the different magnetizations on a magnetic data carrier.
  • This external external magnetic field acts via the hydrogen-impermeable magnetic field window 22 on the magnetic field of the multi-layer package 24 concentrated in the air gap 23 and thus achieves a corresponding change in its electrical resistance, which can be determined again when the constant current I flows by measuring the voltage U (in which Figure is the circuit arrangement 8 indicated).
  • the external magnetic field 25 can be variable over time or constant.
  • Such magnetic field sensors 20 can completely assume all tasks of previously known field sensors, in particular the tasks in reading heads of any type. Thanks to their simple subsequent fine-tuning via the hydrogen loading of the intermediate layers, they can also be optimally adapted to the respective application in a previously unknown way.

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Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Messfühler mit durch Wasserstoffbeladung definiert veränderbarem internen - die Differenz des elektrischen Widerstandes bei angelegtem und abgeschaltetem Magnetfeld charakterisierenden - Magnetwiderstand, bestehend aus einem Multischichtpaket jeweils sich abwechselnder ferromagnetischer Schichten und wasserstoffaffiner nichtmagnetischer Zwischenschichten auf einem Substrat, wobei die Schichten und die Zwischenschichten magnetisch durch den Austausch spinpolarisierter Elektronen gekoppelt sind, und einer Deckschicht aus Pd zur Wasserstoffaktivierung.
Bei bestimmten magnetischen Schichtstrukturen hängt deren Magnetwiderstand sehr stark davon ab, ob die Magnetisierung benachbarter ferromagnetischer Schichten parallel oder antiparallel ist (Riesenmagnetowiderstandseffekt). Zwischen diesen Schichten kann über geeignete Zwischenschichten eine Kopplung durch den Austausch spinpolarisierter Elektronen bestehen. Durch unterschiedlich starke Reflexion der Elektronen mit "Spin auf" (Spin parallel zur Magnetisierung) und "Spin ab" (Spin antiparallel zur Magnetisierung) an den inneren Grenzflächen des Multischichtpakets ergibt sich ein Drehmoment für die Elementarmagnetisierungen, das für deren verschiedene Ausrichtungen sorgt. Als Auswirkung ergibt sich eine Beeinflussung der Kopplungsstärke zwischen den benachbarten ferromagnetischen Schichten und damit eine Beeinflussbarkeit des Magnetwiderstandes, d.h. des elektrischen Widerstandes, des gesamten Multischichtpakets. Die Magneteigenschaft des Multischichtpakets ändert sich zwischen ferromagnetisch und antiferromagnetisch. Dabei zeigt der Antiferromagnetismus durch eine Kompensation der resultierenden magnetischen Momente aufgrund der Antiparaltelstellungen keine spontane Magnetisierung mehr.
Die Kopplungsstärke zwischen den ferromagnetischen Schichten kann beispielsweise als Funktion der Zwischenschichtdicke eine gedämpfte Oszillation zwischen dem ferromagnetischen und dem antiferromagnetischen Zustand ausführen. Dabei wird jedoch durch die Wahl der Zwischenschichtdicke der Magnetwiderstand eines einzelnen Multischichtpakets festgelegt. Eine Veränderung, beispielsweise im Sinne einer Optimierung für den jeweiligen Anwendungsfall des magnetischen Messfühlers, ist nach dessen Herstellung nicht mehr möglich.
Neueste Veröffentlichungen (Aufsatz I : Thin Solid Films 275 (1996) 48-53, A. Weidinger et al., "Metallic multilayers and hydrogen" und Aufsatz II : Physica B 221 (1996) 377-381, Ch. Rehm et al., "Magnetic and structural properties of Fe/Nb multilayers") beschäftigen sich mit der Möglichkeit der Beeinflussung der magnetischen Austauschkopplung durch eine Beladung der nichtmagnetischen Zwischenschichten mit Wasserstoff aus der Gasphase.
Der Aufsatz I, von dem die Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, beschreibt (ebenso wie die Veröffentlichung von N. Nagengast et al., "Hydrogen charging of Nb/Fe multilayers" in Journal of Alloys and Compounds 231 (1995) 307-309) vorbereitende Studien für die oben beschriebene Möglichkeit und kommt zu dem Ergebnis, dass sich zugeführter Wasserstoff in allen Zwischenschichten in dem stark wasserstoffaffinen Nb einlagern kann. Dieser Vorgang erfolgt kontinuierlich und prinzipiell reversibel. Insbesondere werden in diesem Aufsatz die Prozessparameter bei der Wasserstoffbeladung beschrieben. Diese sind in ihrer Größe äußerst moderat und deshalb leicht einzustellen. Weiterhin wird der realisierte Schichtenaufbau beschrieben. Wichtig für die Einlagerung von Wasserstoff ist dabei eine Pd-Schicht zur Aktivierung des Wasserstoffs, die als Deckschicht auf dem Schichtenpaket angeordnet wird. Die verwendeten Schichtdicken für Zwischenschichten aus Nb liegen unterhalb von 1,3 nm und oberhalb 2,3 nm. Pro Schichtenpaket sind alle Schichtdicken konstant. Der interne Magnetwiderstand ist im direkten Zusammenhang mit der möglichen Wasserstoffbeladung nur bei der Herstellung der Zwischenschichten durch die Wahl ihrer Schichtdicken festlegbar und damit nur von Schichtenpaket zu Schichtenpaket überhaupt definiert veränderbar. Nach der Herstellung des Schichtenpakets ist eine Veränderung des internen Magnetwiderstandes im Sinne einer Feinabstimmung nicht möglich. Eine Bestätigung der Theorie über die Möglichkeit einer kontinuierlichen und reversiblen Beeinflussung des Magnetwiderstandes zu dessen kontinuierlicher und reversibler Veränderung durch eine entsprechende Wasserstoffbeladung erfolgt nicht.
Auch im Aufsatz II wird dies nur als theoretische Möglichkeit beschrieben und kann experimentell auch bei einer Variation der Prozessparameter zwischen 200 °C und Raumtemperatur bzw. 10-5 mbar und Atmosphärendruck und einer jeweils konstanten Schichtdicke der Nb-Zwischenschichten von 1,3 nm, 1,7 nm und 2,3 nm nicht nachgewiesen werden. Eine Oszillation zwischen dem antiferromagnetischen und dem ferromagnetischen Grundzustand kann hier nur in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Nb-Schichtdicken beobachtet werden.
Antiferromagnetisch geordnete Schichten besitzen einen Magnetwiderstand, der zur Messung von Magnetfeldem besonders geeignet ist. Im Aufsatz III : Phys. BI. 51 (1995) Nr.11, 1077-1081, P.Grünberg, "Riesenmagnetowiderstand in magnetischen Schichtstrukturen" wird die Einsatzmöglichkeit magnetischer Schichtstrukturen für magnetische Messfühler bei einer Variation der Zwischenschichtdicke beschrieben.
Die aus dem Aufsatz III bekannten magnetischen Messfühler, bei denen das Multischichtpaket in der bereits beschriebenen Weise aus mehreren ferromagnetischen Schichten aufgebaut ist, die zur Grundeinstellung des Magnetwiderstandes über nichtmagnetische metallische Zwischenschichten magnetisch miteinander austauschgekoppelt sind, dienen ausschließlich der Ermittlung von Änderungen des Magnetwiderstandes. Damit sind sie zum Einsatz als Feldsensoren geeignet. Sie können als Magnetköpfe zum Auslesen der Informationen auf magnetischen Informationsträgern dienen, andere zur Detektion von Position oder Geschwindigkeit, wenn die zu vermessenden Objekte ein Magnetfeld erzeugen können. Nur durch die Optimierung der Widerstandsänderung im Magnetfeld kann eine präzise Auslesung erfolgen. Bei derartigen bekannten magnetischen Messfühlem erfolgt diese Optimierungseinstellung über die Wahl der Schichtdicken der nichtmagnetischen Zwischenschichten. Die Schichtdicken sind jedoch nach der Herstellung der Schichtenpakete nicht mehr veränderbar, so dass eine nachträgliche Feinabstimmung nicht mehr möglich ist. Außerdem beschränkt diese Maßnahme den Einsatz der magnetischen Messfühler ausschließlich auf Anwendungen für Feldsensoren zur Ermittlung der magnetischen Feldstärke als einziger physikalischer Messgröße, da der magnetische Widerstand derartiger magnetischer Messfühler nur durch äußere Fremdmagnetfelder beeinflusst werden kann.
Das technische Problem, das der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, einen magnetischen Messfühler der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, dass nach seiner Herstellung eine Veränderung seines internen Magnetwiderstandes zur anwendungsindividuellen Optimierung erfolgen kann. Weiterhin soll sich der Grundaufbau der Multischichtpakete für unterschiedliche Einsatzzwecke möglichst wenig unterscheiden. Die erfindungsgemäße Lösung hierzu ist dem Anspruch 1 zu entnehmen. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass die Veränderungen des internen Magnetwiderstandes durch Wasserstoffbeladung bei der angegebenen Schichtdicke wesentlich effektiver als bei anderen Schichtdicken ist.
Bei dem erfindungsgemäßen magnetischen Messfühler kann somit der Magnetwiderstand zu jedem Zeitpunkt nach der Fertigstellung des Schichtenpakets kontinuierlich und reversibel in weiten Grenzen (bis zum Dreifachen des Ausgangswerts) über die Konzentration der Wasserstoffbeladung der Zwischenschichten verändert werden. Dies ist z.B. für das Einsatzgebiet von Magnetfeldsensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten und/oder Grundeinstellungen von ausschlaggebender Bedeutung. Veränderungen, insbesondere Verschlechterungen der magnetischen Empfindlichkeit durch Alterung der Schichten, können durch eine erneute Wasserstoffbeladung ausgeglichen werden. Ebenso sind Überkorrekturen durch die Reversibilität der Wasserstoffbeladung durch eine Behandlung des Schichtenpakets bei reduziertem Wasserstoffpartialdruck kompensierbar.
Die Optimierung erfolgt bei der Erfindung über die Möglichkeit der kontinuierlichen und reversiblen Beeinflussung der Zwischenschichten durch die Wasserstoffbe- bzw. -entladung. Die Zwischenschichten bestehen dazu aus einem stark wasserstoffaffinen Material. Hierbei kann es sich um Nb oder um eine Legierung von Cr mit einem der stark wasserstoffaffinen Elemente V, Nb oder Ta handeln. Derartige Legierungen verfügen aufgrund der Cr-Komponente gegenüber Nb über einen grundsätzlich größeren Magnetwiderstand, wodurch die Empfindlichkeit des magnetischen Messfühlers noch verbessert werden kann. Zur Aktivierung der Beladung der Zwischenschichten mit Wasserstoff aus einem gasförmigen Wasserstoffstrom heraus ist bekannterweise die Anwesenheit eines Aktivierers (Katalysators), bei der Erfindung in Form einer Deckschicht des Schichtenpakets aus Pd, erforderlich. Diese Deckschicht schützt das Schichtenpaket gleichzeitig vor Oxidation.
Von ausschlaggebender Bedeutung für die kontinuierliche und reversible Veränderbarkeit des Magnetwiderstandes bei der Erfindung ist die Schichtdicke der Zwischenschichten. Bei nichtmagnetischen Zwischenschichten aus Nb mit einer Schichtdicke zwischen 1,3 nm und 1,6 nm kann eine effektive Veränderung der magnetischen Kopplung zwischen dem ferromagnetischen und dem antiferromagnetischen Zustand durch die Wasserstoffbeladung bewirkt werden. Bei nichtmagnetischen Zwischenschichten aus einer Legierung von Cr mit den Elementen V, Nb oder Ta liegt die Schichtdicke in einem größeren Bereich zwischen 0,8 nm und 2,3 nm. Hierdurch sind die elektronischen Eigenschaften bezüglich der antiferromagnetischen Kopplung vergleichbar zwischen Nb-Zwischenschichten und chromlegierten Zwischenschichten.
Durch die nachträgliche Feinabstimmbarkeit spielt eine sehr genaue Einhaltung der Schichtstärken keine wesentliche Rolle. Die Herstellungstoleranzen im Bereich sind deshalb relativ groß (beispielsweise in 0,3 nm-Schritten), so dass die Herstellung der einzelnen Schichten vereinfacht und die Ausschussrate verringert werden kann. Gleiches gilt für die Schichtstärken der einzelnen ferromagnetischen Schichten, deren Dicke im Regelfall zwischen 2 nm und 3 nm liegt. Die Auswirkung von Toleranzen der ferromagnetischen Schichten auf den Magnetwiderstand kann nachträglich durch die Feinabstimmung einfach ausgeglichen werden.
Der Einfluss der Schichtdicke der Zwischenschichten auf die Möglichkeit, durch eine Wasserstoffbeladung eine kontinuierliche und reversible Änderung der magnetischen Kopplung von einer antiferro- zu einer ferromagnetischen Kopplung erreichen zu können, wurde bislang in keiner der zitierten Veröffentlichungen beschrieben. Die theoretischen und experimentellen Arbeiten zur Thematik einer stufenweisen Veränderung der Dicke einer aus Nb bestehenden Zwischenschicht unter Wasserstoffbeladung als Grundlage für den erfindungsgemäßen magnetischen Messfühler können jedoch dem nachveröffentlichten Aufsatz in Phys. Rev. Lett. 78, No. 6 vom 10.02.97 von Klose et al., "Continous and reversible change of the magnetic coupling in an Fe/Nb multilayer induced by hydrogen charging" entnommen werden. In diesem Aufsatz sind auch weitere Einzelheiten zur Prozessführung angegeben.
Eine vorteilhafte Ausführung des Schichtaufbaus des erfindungsgemäßen magnetischen Messfühlers besteht darin, dass zwischen einem Substrat aus Si oder GaAs und einem Multischichtpaket mit ferromagnetischen Schichten aus Fe, Co, Ni, oder deren Legierungen eine Pufferschicht aus Cr vorgesehen ist. Diese Pufferschicht aus Cr wirkt als Diffusionsbarriere und verhindert so eine Vermischung von Substratmaterial mit Material aus dem Multischichtpaket. Damit wird eine Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften des Multischichtpaketes durch Substratmaterial ausgeschlossen. Die Pufferschicht kann eine Dicke im Bereich von 5 nm aufweisen.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße magnetische Messfühler sowohl durch äußere Magnetfelder als auch durch Wasserstoffzufuhr in seinem Magnetwiderstand verändert werden. Mit seiner Hilfe können daher zwei physikalisch völlig unterschiedliche Messgrößen (magnetische Feldstärke und Wasserstoffkonzentration) ermittelt werden. Diese Messgrößen können durch eine dem Messfühler zugeordnete 4-Pol-Widerstandsmeßanordnung ermittelt werden. Alle diese Messgrößen werden über die Ermittlung des durch sie beeinflussten elektrischen Widerstandes des Messfühlers bestimmt. Hierbei wird eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einem konstanten, von einer Messelektronik vorgebbaren Strom in dieser 4-Pol-Widerstandsmeßanordnung gemessen. Für diese Anordnung wird der konstante Strom an zwei gegenüber liegenden Eckpunkten des Multischichtpaketes diesem aufgeprägt und die veränderliche Spannung an den anderen beiden Eckpunkten abgegriffen. Das Messsignal ist so für eine genaue Berechnung, beispielsweise in einer messwertverarbeitenden Computeranlage, des veränderlichen elektrischen Widerstandes ausreichend groß und genau.
Die Wasserstoffbeladung der Zwischenschichten kann reversibel erfolgen, d.h. eingelagerter Wasserstoff kann auch wieder aus den Zwischenschichten ausgasen. Befindet sich der erfindungsgemäße magnetische Messfühler in einer offenen Atmosphäre, kann er deshalb bevorzugt als magnetischer Messfühler für Wasserstoffgas benutzt werden. Seine Umspülung mit einem Wasserstoffgasstrom bewirkt eine Zunahme des eingelagerten Wasserstoffanteils und damit eine Veränderung des Magnetwiderstandes bzw. des elektrischen Widerstandes des magnetischen Messfühlers. Diese angezeigte Veränderung ist also das Maß für die Wasserstoffkonzentration in der Umgebung des magnetischen Messfühlers. Derartige Messungen können dynamisch mit ständig wechselnden Konzentrationen oder statisch in einem konstanten Wasserstoffumfeld erfolgen. Liegen die Messungen längere Zeit auseinander, nimmt der magnetische Messfühler automatisch eine Nullstellung bei normaler Umgebungsluft durch Ausgleich der Wasserstoffpartialdrücke in den Zwischenschichten und in der Umgebungsluft ein. Eine derartige Anwendungsmöglichkeit erweitert die Einsatzpalette des erfindungsgemäßen magnetischen Messfühlers in eine völlig neue Richtung und ist bei den bekannten magnetischen Messfühlem nicht gegeben.
Der Magnetwiderstand ist definiert als Differenz des elektrischen Widerstandes des magnetischen Messfühlers zwischen den Zuständen mit und ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes. Er ist damit temperaturunabhängig und reagiert sehr empfindlich auf Schwankungen der Wasserstoffkonzentration in seiner Umgebung. Liegt kein äußeres Magnetfeld an, drücken sich diese Schwankungen in einer reinen Widerstandsänderung des Sensors aus, die ohne weiteres ermittelbar ist. Will man jedoch die Änderungen der Wasserstoffkonzentration der jeweiligen Magnetwiderstandsänderung zuordnen, ist es besonders vorteilhaft, wenn Veränderungen seines Magnetwiderstandes unter Aufprägung eines äußeren, durchstimmbaren Magnetfeldes bestimmt werden können. Bei Durchfahren des äußeren Magnetfeldes wird dann die entsprechende Änderung des elektrischen Widerstandes aufgezeigt und der zugehörigen, aktuell zu bestimmenden Wasserstoffkonzentration zugeordnet.
Bildet hingegen ein äußeres magnetisches Feld die physikalische Messgröße, wird also der erfindungsgemäße magnetische Messfühler als Magnetfeldsensor eingesetzt, ist hierfür die Konstanthaltung und Fixierung des Wasserstoffgehalts in den Zwischenschichten die Voraussetzung. Es ist hierbei besonders vorteilhaft, wenn der magnetische Messfühler innerhalb einer magnetisch abschirmenden Kapselung angeordnet ist, die ein wasserstoffundurchlässiges Magnetfeldfenster aufweist. Der Wasserstoffgehalt in den Zwischenschichten ist durch diese Kapselung von Umwelteinflüssen unabhängig, so dass auch der magnetische Widerstand des magnetischen Messfühlers in der Grundeinstellung zuverlässig konstant ist. Ein Ausgleich der Wasserstoff-Partialdrücke zwischen dem Kapselungsinneren und der Umgebung kann aufgrund der Wasserstoffundurchlässigkeit des Magnetfeldfensters nicht stattfinden. Die zu messenden äußeren magnetischen Felder können dann auf den magnetischen Messfühler nur durch das Magnetfeldfenster einwirken und zu einer Änderung des magnetischen bzw. elektrischen Widerstandes des magnetischen Messfühlers führen. Fremdeinwirkungen durch Störfelder sind sicher vermieden. Eine derartige Kapselung kann beispielsweise aus einer weichmagnetischen NiFe-Legierung (Permalloy) bestehen.
Der magnetische Messfühler in der Anwendung zur Detektion von magnetischen Feldstärken weist im allgemeinen ein ebenes Multischichtpaket auf, das durch Abscheidung der jeweiligen Schichtenmaterialien aus der Gasphase auf einem ebenen Substrat aufgezogen wurde. In dieser Ausgestaltung kann er von einer Kapselung eng umschlossen sein. Der Messfühler kann aber auch gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung ringförmig ausgebildet und mit einem Luftspalt versehen sein, der mit dem Magnetfeldfenster in der Kapselung fluchtet.
Durch die dadurch erreichte kompakte Bauform, bei der die Kapselung ebenfalls ringförmig das Multischichtpaket umschließen kann, und die Bündelung des Magnetfeldes im Luftspalt ist er besonders zum Einsatz als hochpräziser Lesekopf bei der magnetischen Informationsverarbeitung geeignet. Die Herstellung eines aus konzentrischen Ringen bestehenden Multischichtpakets aus der Gasphase auf einem beispielsweise stabförmigen Substrat ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch noch sehr schwierig.
Ein Multischichtpaket weist typischerweise bei einer Grundfläche im Bereich von 5 mm x 5 mm eine Pakethöhe ohne Substrat von bis zu 100 nm auf, was einer mittleren Lagenanzahl von 10 bis 20 Doppellagen entsprechen kann. Für Anwendungen in der Mikroelektronik können die lateralen Dimensionen des magnetischen Messfühlers jedoch auch sehr viel kleiner als 1 mm sein, ohne dass seine Wirkungsweise eingeschränkt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung in perspektivischer, aber maßstabsverzerrter Darstellung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
einen erfindungsgemäßen magnetischen Messfühler in einer Ausführungsform als Wasserstoff-Detektor
und
Figur 2
einen erfindungsgemäßen magnetischen Messfühler in einer Ausführung als Magnetfeldsensor.
In Figur 1 ist ein magnetischer Messfühler 1 zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen dargestellt. Der magnetische Messfühler 1 befindet sich in freier Umgebung und weist ein magnetisches Multischichtpaket 2 auf, das auf einem Si - Substrat 3 (Dicke 100 nm) angeordnet ist. Das Multischichtpaket 2 besteht aus miteinander abwechselnden ferromagnetischen Schichten 4 und nichtmagnetischen Zwischenschichten 5. Die ferromagnetischen Schichten 4 sind im gewählten Ausführungsbeispiel 2,6 nm dick und bestehen aus Fe. Die nichtmagnetischen Zwischenschichten 5 weisen dagegen im Beispiel eine Schichtdicke d von 1,5 nm auf und bestehen aus dem stark wasserstoffaffinen Übergangsmetall Nb. Zur Wasserstoffaktivierung ist das Multischichtpaket 2 mit einer Pd - Deckschicht 6 (Dicke 5 nm) versehen. Zwischen dem Substrat 3 und dem Multischichtpaket 2 ist zur Diffusionsverhinderung eine Pufferschicht 7 aus Cr (Dicke 5 nm) vorgesehen.
Die Magnetwiderstandsänderung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel unter der verändernden Wirkung eines äußeren, durchstimmbaren Magnetfeldes 18 (in der Figur angedeutet durch einen breiten Pfeil) als Maß für die zu messende Größe, hier die Konzentration von Wasserstoff, ermittelbar. Dazu weist der magnetische Messfühler 1 eine 4-Pol-Widerstandsmeßanordnung 8 auf. Diese verfügt über zwei Kontaktstellen 9 und 10 an den diagonal gegenüberliegenden Ecken 11 und 12 des Multischichtpakets 2 zur Aufprägung eines konstanten Stromes I, der von einer nicht weiter dargestellten Messelektronik vorgegeben wird. Als Ausgangssignal wird eine Spannung U an zwei weiteren, diagonal gegenüberliegenden Kontaktstellen 13 und 14 an den beiden anderen Ecken 15 und 16 des Multischichtpakets 2 abgegriffen. Aus den beiden Größen I und U kann der durch die zu ermittelnde physikalische Größe veränderbare elektrische Widerstand im Magnetfeld des Multischichtpakets 2 von einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Recheneinheit berechnet werden. Gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten diagonalen Abgriff der Spannung U am Multischichtpaket 2 ist auch eine Ausführung denkbar, bei der der Strom I an den beiden oberen Kontaktstellen aufgeprägt wird und der Abgriff der Spannung U an den beiden unteren Kontaktstellen des Multischichtpakets erfolgt.
Die mit dem magnetischen Messfühler 1 zu messende Größe ist hier die Konzentration eines Wasserstoffgasstromes 17, der den magnetischen Messfühler 1 frei umspült. Durch Einlagerung und Ausgasung von Wasserstoff in bzw. aus den stark wasserstoffaffinen Nb-Zwischenschichten 5 ist die magnetische Kopplung zwischen den ferromagnetischen Fe-Schichten 4 kontinuierlich und reversibel veränderbar. Dadurch kann eine Veränderung des Magnetwiderstandes bewirkt werden, der unter Einfluss des äußeren durchstimmbaren Magnetfeldes 18, das beispielsweise von einem entsprechend angeordneten und ausgerüsteten Permanentmagneten erzeugt wird, einer Änderung des elektrischen Widerstandes zuordenbar ist. Die Messungen können dynamisch bei ständig wechselnder Wasserstoffkonzentration oder statisch in einer konstanten Wasserstoffatmosphäre erfolgen. Wird kein Messwert abgefragt, stellt sich der magnetische Messfühler 1 durch den Ausgleich der Wasserstoffpartialdrücke in den Zwischenschichten 5 und der Umgebung selbsttätig auf eine Nullstellung ein.
Vorteilhafterweise ist der Wasserstoff-Detektor durch eine nicht gezeigte Ummantelung, beispielsweise mit einer weichmagnetischen Folie, von magnetischen Feldern abgeschirmt.
Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Messfühlers 20 als Magnetfeldsensor. Diese Ausführungsform unterscheidet sich in ihrem Aufbau konstruktiv von dem magnetischen Messfühler 1 gemäß Figur 1 dadurch, dass er mit einer magnetisch abschirmenden Kapselung 21 versehen ist, die ein wasserstoffundurchlässiges Magnetfeldfenster 22 aufweist und als ringförmiges Multischichtpaket 24 ausgebildet ist. Mit dem Magnetfeldfenster fluchtet ein Luftspalt 23. Das Innere der Kapselung 21 (aufgebrochen dargestellt) ist wasserstoffundurchlässig abgeschlossen, so dass keine Wasserstoffdiffusion zwischen der Umgebung und dem ringförmig ausgebildeten Multischichtpaket 24 auftreten kann. Der bei der Herstellung auf den Anwendungsfall durch Wasserstoffbeladung feinabgestimmte Magnetwiderstand des magnetischen Messfühlers 20 bleibt so über einen langen Zeitraum konstant. Bei Alterung der Schichten und damit Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften kann das Multischichtpaket 24 jedoch separat erneut mit Wasserstoffgas behandelt und auf den ursprünglichen Magnetwiderstandswert eingestellt werden.
Die mit diesem magnetischen Messfühler 20 zu messende physikalische Messgröße ist die magnetische Feldstärke eines äußeren Fremdmagnetfeldes 25, beispielsweise die unterschiedlichen Magnetisierungen auf einem magnetischen Datenträger. Dieses äußere Fremdmagnetfeld wirkt über das wasserstoffundurchlässige Magnetfeldfenster 22 auf das im Luftspalt 23 konzentrierte Magnetfeld des Multischichtpakets 24 ein und erzielt damit eine entsprechende Änderung seines elektrischen Widerstands, der beim Fließen des konstanten Stroms I wieder durch die Messung der Spannung U ermittelt werden kann (in der Figur ist die Schaltungsanordnung 8 angedeutet). Dabei kann das Fremdmagnetfeld 25 zeitlich veränderlich oder konstant sein. Derartige Magnetfeldsensoren 20 können alle Aufgaben bisher bekannter Feldsensoren, insbesondere die Aufgaben in Leseköpfen jeglicher Bauart, vollständig übernehmen. Sie sind durch ihre einfache nachträgliche Feinabstimmbarkeit über die Wasserstoffbetadung der Zwischenschichten darüber hinaus in bisher nicht gekannter Möglichkeit optimal an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar.
Bezugszeichenliste
1
magnetischer Meßfühler
2
Multischichtpaket
3
Substrat
4
ferromagnetische Schicht
5
nichtmagnetische Zwischenschicht
6
Deckschicht
7
Pufferschicht
8
4-Pol-Widerstandsmeßanordnung
9
1. Kontaktstelle für Stromaufprägung
10
2. Kontaktstelle für Stromaufprägung
11
1. Ecke des Multischichtpakets 2
12
3. Ecke des Multischichtpakets 2
13
1. Kontaktstelle für Spannungsabgriff
14
2. Kontaktstelle für Spannungsabgriff
15
2. Ecke des Multischichtpakets 2
16
4. Ecke des Multischichtpakets 2
17
Wasserstoffgasstrom
18
äußeres durchstimmbares Magnetfeld
d
Dicke der nichtmagnetischen Zwischenschichten 5
20
magnetischer Meßfühler - Magnetfeldsensor
21
magnetisch abschirmende Kapselung
22
wasserstoffundurchlässiges Magnetfeldfenster
23
Luftspalt
24
ringförmiges Multischichtpaket
25
äußeres Fremdmagnetfeld

Claims (6)

  1. Magnetischer Messfühler mit durch Wasserstoffbeladung definiert veränderbarem internen, die Differenz des elektrischen Widerstandes bei angelegtem und abgeschaltetem Magnetfeld charakterisierenden Magnetwiderstand, bestehend aus einem Multischichtpaket (2) jeweils sich abwechselnder ferromagnetischer Schichten (4) und wasserstoffaffiner nichtmagnetischer Zwischenschichten (5) auf einem Substrat (3), wobei die Schichten (4) und die Zwischenschichten (5) magnetisch durch den Austausch spinpolarisierter Elektronen gekoppelt sind, und einer Deckschicht (6) aus Pd zur Wasserstoffaktivierung, wobei die nichtmagnetischen Zwischenschichten (5) entweder aus Nb mit einer Schichtdicke (d) zwischen 1,3 nm und 1,6 nm oder aus einer Legierung von Cr mit den Elementen V, Nb oder Ta mit einer Schichtdicke (d) zwischen 0,8 nm und 2,3 nm bestehen.
  2. Magnetischer Messfühler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Substrat (3) aus Si oder GaAs besteht,
    dass die ferromagnetischen Schichten (4) des Multischichtpakets (2) aus Fe, Co oder Ni oder deren Legierungen bestehen, und
    dass zwischen dem Substrat (3) und dem Multischichpaket (2) eine Pufferschicht (7) aus Cr vorgesehen ist.
  3. Magnetischer Messfühler nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dieser als Wasserstoff-Detektor oder als Magnetfeldsensor ausgebildet und demselben eine 4-Pol-Meßbrücke zur Messung der Magnetwiderstandsänderung zur Ermittlung der jeweiligen Messgröße zugeordnet ist.
  4. Magnetischer Messfühler nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dieser (1) als Wasserstoff-Detektor ausgebildet und in einem äußeren durchstimmbaren Magnetfeld (18) angeordnet ist, in dem Veränderungen seines Magnetwiderstandes bestimmbar sind.
  5. Magnetischer Messfühler nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dieser (20) als Magnetfeldsensor ausgebildet und innerhalb einer magnetisch abschirmenden Kapselung (21) angeordnet ist, die ein wasserstoffundurchlässiges Magnetfeldfenster (22) aufweist.
  6. Magnetischer Messfühler nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Magnetfeldsensor (20) ringförmig ausgebildet und mit einem Luftspalt (23) versehen ist, der mit dem wasserstoffundurchlässigen Magnetfeldfenster (22) in der Kapselung (21) fluchtet.
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